[发明专利]气体渗透过程中土体力学响应全过程监测装置及方法

说明书

本发明提供了一种气体渗透过程中土体力学响应全过程监测装置及方法，属于环境岩土工程技术领域，可用于对刚性边界气体渗透和柔性边界气体渗透过程中土体压力‑变形‑裂隙进行全过程的监测。主体装置主要包括试样箱、透水石、柔性隔膜、刚性隔板、网格量测屏。柔性隔膜和刚性隔板分别应用于柔性边界气体渗透试验和刚性边界气体渗透试验，试验过程中分别通过位移传感器和压力传感器记录土体侧向变形大小和各位置孔压大小，并结合网格量测屏监测土体浅层裂隙的发育发展情况。可以通过控制不同气体注入压力和围压大小，全过程监测不同干密度、不同含水率下，试样刚性/柔性边界气体渗透过程中土体发生的力学响应。

技术领域

本发明涉及环境岩土工程技术领域，具体地，涉及一种气体渗透过程中土体力学响应全过程监测装置及方法，可用于对刚性边界气体渗透和柔性边界气体渗透过程中土体变形-裂隙全过程的监测。

背景技术

气体在多孔介质中的运移特性一直是岩土界的研究热点问题。气体渗流现象广泛地存在于地下工程、环境工程和能源工业等岩土工程领域，如曝气法技术和气压劈裂法中出现的气体渗流现象，非饱和土中水气渗流理论、地下水油污染的控制与恢复技术、石油与煤层气开采中的渗流相变问题、垃圾填埋场中废气抽放技术和核废料的储存等，都涉及到土体中气体的渗流特性。气体作为可压缩流体，在渗流过程中，随着渗透压力的变化，土体孔压也发生变化，土体呈现显著的体变特性，同时伴随土体裂隙的发育发展。例如，在深部地质处置库中，由于复杂的物理化学反应，将产生H₂、CO₂、CH₄、N₂等气体。随着时间的演化，废物容器表面及近场气体将不断积聚并导致气压逐渐升高。在高气压的作用下，处置库中缓冲/回填材料可能发生变形，进而产生裂隙，最终导致工程屏障功能降低，影响处置库的长期稳定性和安全性。因此，全过程监测气体渗透过程中土体孔压、变形和裂隙发育发展情况，对于岩土工程建设安全稳定性具有重大的意义。

此外，柔性边界和刚性边界下气体渗透过程中土体孔压、变形和裂隙发育发展也具有显著差异。而目前市场缺乏相关的室内试验设备，因此研制相应的监测设备和试验方法对于深入了解气体在多边界土体中的渗透特征具有重大的工程实际意义和理论研究价值。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题而发明了一种气体渗透过程中土体力学响应全过程监测装置及试验方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现。

本发明提供了一种气体渗透过程中土体力学响应全过程监测装置，所述气体渗透包括柔性边界气体渗透和刚性边界气体渗透，所述监测装置包括主体装置和气体注入装置，所述主体装置包括底座、试样箱、盖板和两块隔板，所述试样箱为横截面为矩形的空心箱体，所述底座为一个矩形板，试样箱垂直安装在底座的中心位置并与底座形成整体结构，盖板在进行监测时盖在试样箱的顶部，实现试样箱内腔的封闭；

将试样箱任意两个平行的箱板记为A板，另外二个平行的箱板记为B板，在试样箱内侧距离两个A板h的位置上，分别设置了与两个A板平行的隔板，隔板的长度、宽度分别与试样箱内腔的高度、宽度相同，即通过两块隔板将试样箱的内腔分隔成三个独立的封闭空腔：两块隔板与两个B板之间形成了封闭的试样室，在试样室的两侧形成了由隔板、A板、B板围成的两个封闭的围压室；

在试样箱两个A板的中心位置，分别留有贯通的渗流入口孔道B和渗流入口孔道C；在试样箱两个B板的中心位置，与B板的内壁平齐，分别镶嵌了透水石A和透水石B；在试样箱两个B板的中心位置，分别留有渗流入口孔道A和渗流出口孔道，其中，渗流入口孔道A与透水石A相通、渗流出口孔道与透水石B相通；

在进行柔性边界气体渗透监测时，所述隔板为柔性隔膜，在柔性隔膜上均匀布设多个位移传感器；在进行刚性边界气体渗透监测时，所述隔板为刚性隔板，在刚性隔板上均匀布设多个压力传感器C；